三元催化器對GDI車輛PM2.5排放的影響

鐘祥麟，李君，李昂

（1.中國汽車技術研究中心，北京 100176；2.天津大學，天津 300072）

三元催化器對GDI車輛PM2.5排放的影響

鐘祥麟1,2，李君1，李昂1

（1.中國汽車技術研究中心，北京 100176；2.天津大學，天津 300072）

本文利用ELPI對滿足國Ⅴ排放標準的GDI汽油車進行顆粒物排放測試，對比了三元催化器前后顆粒物排放的粒度分布特性和瞬態排放特性。研究結果表明：不論冷熱啟動狀態，GDI汽油機顆粒物排放在催化器后均有一定下降，且在催化器前后的粒度分布基本保持一致；在催化器前后GDI汽油機PM2.5排放，均為數量濃度占比大，質量占比小，采用傳統的顆粒物稱重的方法已不足以來衡量GDI汽油車PM2.5的排放特征。

三元催化器；GDI汽油車；顆粒物排放；PM2.5

鐘祥麟

畢業于吉林大學，研究生學歷，工作單位：中國汽車技術研究中心，研究方向：機動車顆粒物排放。

1 前言

大氣環境PM2.5排放是目前廣受社會公眾關注的一個問題，相關的研究報告表明機動車PM2.5排放是大氣PM2.5排放的一個主要排放源，而且相對于PM10排放比重更高，對人體健康危害更大。我國當前的排放法規對顆粒物排放的限制是以質量為衡量標準，從國際趨勢看，歐5標準在質量和數量兩個方面都加以限制，可以預見顆粒物的數量排放，也將是我國推行未來排放法規的一個關注重點。基于我國乘用車的發展特點，雖然沒有大力發展柴油車，但是采用GDI技術的汽油車型在市場上占有率越來越高，而GDI技術的大范圍應用，相對于傳統的MPI汽油機，其帶來的顆粒物排放問題將不可忽視。

目前GDI汽油車所配裝的后處理系統為三元催化器，對常規排放物CO、THC和NOx起催化凈化效果，但其對顆粒物的排放是否有影響作用，本文將基于整車測試，選用法規標準的NEDC工況循環，利用ELPI對GDI車輛三元催化器前、后的顆粒物排放采樣分析，研究發動機原始顆粒物排放和經過三元催化器后顆粒物的質量排放和數量排放變化。

2 試驗方案

研究選取國內兩款典型排量的GDI試驗車輛，車輛A為1.6L排量，車輛B為2.0L排量。試驗在溫濕度可控的環境倉內進行，由底盤測功機提供道路模擬阻力，所選車輛按GB 18352.3-2005中規定的I型試驗方法開展試驗，采用NEDC工況循環[1]。熱啟動試驗為了保證試驗初始狀態的一致性，車輛均以80 km/h的速度運行10 min后停車，重新點火采用NEDC工況循環開始熱啟動試驗。試驗過程中，對催化器前、后的顆粒物排放測量則由目前使用比較廣泛的靜電低壓撞擊器ELPI(electrical lowpressure impactor)直采測量。ELPI是對顆粒物粒徑尺寸及分布進行測量的專用儀器, 可在不同運行工況下實時測量發動機排放顆粒物的質量和數量分布特性。國內外相關研究已經證明ELPI在臺架和底盤測功機上的可行性[2,3]。ELPI的最低切割直徑可達7 nm左右，最高可達10 μm。與傳統的碰撞式采樣器不同，顆粒物在進入ELPI切割器之前通過電暈放電荷電，在每一級切割器測量由帶電顆粒產生的電流，在已知荷電效率的情況下，可推算每一級顆粒物的粒數濃度。

試驗對車輛A、B催化器前、后的顆粒物瞬態排放特性進行采樣分析，并對車輛A催化器前的顆粒物原始排放進行冷、熱起動排放對比試驗。

3 試驗結果分析

圖1為車輛A、B催化器前后的顆粒數量-粒徑分布特性，可以看到顆粒物經過三效催化器，數量濃度有一定的降低，催化器前后的顆粒物數量—粒徑分布保持一致，沒有改變，GDI汽油機的顆粒物數量峰值粒徑接近于0.1 μm，屬于積聚態顆粒物，因此GDI汽油機所排放的顆粒物數量中，PM2.5占絕大部分，粒徑大于PM2.5的顆粒數量相對較少。

圖2 為顆粒質量-粒徑分布特性，可以得出，顆粒物經過三元催化器，質量濃度有一定的降低，催化器前后的顆粒物質量-粒徑分布保持一致，沒有改變，當GDI汽油機顆粒物排放的質量達到峰值時，其顆粒粒徑為大于PM2.5的顆粒物。

綜合分析顆粒物的數量和質量粒徑分布，圖3為車輛A、B催化器前的顆粒物原始排放粒度分布情況，通過分析，可以看出GDI汽油機的PM2.5排放，數量濃度占據主要位置，但PM2.5的質量排放在其顆粒物總體質量排放中，卻占比很低。因此，采用傳統的顆粒物稱重的方法來衡量PM2.5排放大小，已經不能足以說明其PM2.5的排放特征。態排放對比，結合圖2所示車輛A的質量-粒度排放特性，可以看出GDI車輛在熱啟動情況下，可以大幅降低機動車顆粒物的原始數量排放，從圖4中更是可以清晰的看到，在NEDC循環全程，熱起動的顆粒物原始排放均明顯低于冷起動，而且在冷起動的循環初期和高速大負荷階段，熱起動時的顆粒物原始排放值更是大幅降低。

從圖5中可以看到，催化器前后的顆粒物排放變化基本一致，在NEDC循環全程，催化器后的顆粒物排放均明顯低于催化器前。

4 結論

1) 不論冷熱啟動狀態，GDI汽油機PM2.5排放在催化器后均有一定下降，且在催化器前后的數量-粒徑分布基本保持一致。

2) 在催化器前后GDI汽油機的PM2.5排放，均為數量濃度占比大，質量占比小，采用傳統的顆粒物稱重的方法已不足以來衡量PM2.5的排放特征。

[1] 國家環境保總局. GB18352.3-2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）. 北京：中國環境科學出版社，2005.7:34-39.

[2]Coen Van GuL ijk, Jan C M Marijnissen, MichielMakkee, et al. The Choice of Instrument ( ELPI and /orSMPS) forDiesel Soot ParticulateMeasurement [ C ]. SAE Paper 2003 - 01 - 0784.

[3] Chase Richard E, MattiMaricqM, Podsiadlik Diane H, et al. TimeResolved Measurements of Exhaust PM forFTP75: Comparison of L II, ELPI, and TEOM Techniques[C ]. SAE Paper2004 - 01 - 0964.

專家推薦

羅馬吉：

目前國內對滿足國Ⅴ排放標準的GDI汽油車的顆粒物排放研究較少，論文對認識國ⅤGDI汽油車的PM排放及三元催化器對PM排放的作用有很大幫助。

Effect of Three-way Catalytic Converter on the PM2.5 Emission of GDI Vehicle

ZHONG Xiang-lin1,2, LI Jun1, LI Ang1
( 1.China Automotive Technology and Research Center, Beijing 100176, China; 2.Tianjin University, Tianjin 300072, China )

This article makes use of the ELPI device to test the particulate emissions of the GDI gasoline vehicles which meet the China V emission standards., The particulate matter size distribution characteristics and the transient emission characteristics before and after the three-way catalytic converter are compared. The research results show that: regardless of hot and cold start state, GDI gasoline engine particulate matter emission in the catalytic converter has decreased, and the particle size distribution in catalytic converters before and after the basic consistency; in the catalytic converter before and after GDI gasoline engine PM2.5 emissions are accounted for, the number concentration than the big, quality accounted for a small, using the method of particle emission characteristics the traditional weighing has been insufficient to measure the GDI gasoline vehicle PM2.5.

TWC; GDI gasoline vehicle; particulate emission; PM2.5

U467.4+8

A

1005-2550（2016）01-0022-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.004

2015-04-01